DE10139607B4

DE10139607B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

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Publication number: DE10139607B4
Application number: DE10139607A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.rer.nat. Baumann; Andreas Dr.-Ing. Docter; Michael Dipl.-Chem. Himmen; Stefan Dr.rer.nat. Wieland
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2001-08-11
Filing date: 2001-08-11
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2021-08-12
Also published as: WO2003015200A3; WO2003015200A2; DE10139607A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei ein Brennstoff über eine anodenseitige Zuleitung einem Anodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Anodenabgas über eine anodenseitige Ableitung abgeleitet wird, sowie ein Oxidationsmittel über eine kathodenseitige Zuleitung einem Kathodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Kathodenabgas über eine kathodenseitige Ableitung abgeführt wird, sowie mit einem Gaserzeugungssystem (10), wobei ein Brennstoff enthaltendes Reformat in einem Reformierungsreaktor (1) des Gaserzeugungssystems (10) durch Reformierung eines Brennmittels erzeugt und in in Strömungsrichtung auf den Reformierungsreaktor folgenden Komponenten (2, 3) gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Systems in einer ersten Phase dem Reformierungsreaktor (1) Brennmittel zugeführt wird, aus dem Brennmittel Brennstoff erzeugt wird, der zumindest teilweise mit Brennstoff gefüllte Reformierungsreaktor (1) zeitweise mit Sauerstoff beaufschlagt und der Brennstoff katalytisch im Reformierungsreaktor (1) verbrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Aus der DE 197 27 588 C1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Kaltstartprozedur bekannt. Ein Reformierungsreaktor ist mit einer Gasreinigungseinheit thermisch eng gekoppelt. In der Startphase wird die Strömungsrichtung umgekehrt, so daß zuerst die Gasreinigungseinheit und dann der Reformierungsreaktor durchströmt wird. Kurzzeitig fungiert die Gasreinigung in dieser Situation als katalytischer Brenner und heizt den Reformierungsreaktor durch Wärmeleitung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit welchem ein verbessertes Kaltstartverhalten möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird im Reformierungsreaktor in der ersten Startphase die Strömungsrichtung umgekehrt und Brennstoff unter Luftzufuhr im Reformierungsreaktor katalytisch verbrannt, so daß der Reaktor schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird.

Der Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Strömungsumkehr eine einzige Dosierstelle für eine Sauerstoffzugabe zur katalytischen Verbrennung für zwei verschiedene Komponenten ausreicht, was eine Systemvereinfachung erlaubt. Weiterhin werden die aufzuheizenden Komponenten unmittelbar durch katalytische Verbrennung erwärmt, so daß die Erwärmung sehr schnell erfolgt. Der dazu notwendige Brennstoff wird in der Startphase selbst erzeugt.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem regulären Betriebszustand,

2 einen ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,

3 einen zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens und

4 einen dritten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Anfahrvorgang eines Brennstoffzellensystems aus dem Ruhezustand muss sichergestellt werden, daß die beteiligten Reaktoren schnell die Betriebstemperatur erreichen. Bei Systemen mit Reaktoren, die im wesentlichen ohne externe Energieeinkopplung betrieben werden, ist eine Vorheizung nur begrenzt möglich. Emissionen und Zeitspanne zum Erreichen eines optimalen Betriebszustands sind miteinander gekoppelt. Die Erfindung ist besonders für derartige Brennstoffzellensysteme geeignet.

Ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelleneinheit auf, wobei ein Brennstoff über eine anodenseitige Zuleitung 5 einem Anodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Anodenabgas über eine anodenseitige Ableitung abgeleitet wird, sowie ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, über eine kathodenseitige Zuleitung einem Kathodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Kathodenabgas über eine kathodenseitige Ableitung abgeführt wird. Die Brennstoffzelleneinheit weist vorzugsweise eine Mehrzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Brennstoffzellenstapeln auf. Das Brennstoffzellensystem weist weiterhin ein Gaserzeugungssystem auf, das in 1 insgesamt als Gaserzeugungssystem 10 bezeichnet ist.

In 1 ist ein regulärer Betriebsablauf des Brennstoffzellensystems dargestellt. Ein Brennstoff enthaltendes Reformat wird in einem Reformierungsreaktor 1 des Gaserzeugungssystems 10 durch Reformierung eines Brennmittels erzeugt, das in einem ersten Volumenstrom V1 zugeführt wird. Der erste Volumenstrom V1 bringt das Brennmittel sowie Luft und/oder Wasser in den Reformierungsreaktor 1. Das Brennmittel kann Kohlenwasserstoff, wie etwa Benzin, Diesel, Naphtha, Alkohol, wie etwa Methanol oder Ethanol, Ether und/oder Ester sein.
Ein Volumenstrom V2 bringt das Reformat in auf den Reformierungsreaktor in Strömungsrichtung folgende Komponenten 2, 3, die zur Reformatreinigung vorgesehen sind. Dort werden katalysatorschädliche Beimengungen aus dem Reformat entfernt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Komponenten zur Kohlenmonoxidentfernung, besonders bevorzugt Shiftreaktoren zur Durchführung von Shiftreaktionen des Kohlenmonoxids im Reformat. Die Reformatreinigung kann einstufig oder auch mehrstufig, z.B. zweistufig wie in dem Figuren dargestellt, sein. Das gereinigte Reformat wird dann über die anodenseitige Brennstoffzuleitung 5 der Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Am Ausgang des Gaserzeugungssystems 10 ist zweckmäßigerweise ein Druckhalteventil 4 angeordnet. Dieses kann auch im Abgasstrang der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein.
Zum Starten des Systems laufen in der Startphase mehrere Phasen aufeinanderfolgend ab. In einer ersten Phase, die in 2 skizziert ist, wird dem kalten Reformierungsreaktor 1 Brennmittel zugeführt. Aus dem Brennmittel wird Brennstoff erzeugt, wenn auch mit geringem Wirkungsgrad, da der Reformierungsreaktor weit unterhalb seiner Betriebstemperatur ist. Der zumindest teilweise mit Brennstoff gefüllte Reformierungsreaktor 1 wird dann zeitweise mit Sauerstoff beaufschlagt. Damit kann dann der Brennstoff katalytisch im kalten Reformierungsreaktor 1 verbrannt werden.
Bevorzugt wird dem kalten Reformierungsreaktor 1 für eine erste Zeitspanne t1 ein erster Volumenstrom V1 des Brennmittels zur Brennstofferzeugung zugeführt. Nach Ablauf der ersten Zeitspanne t1 wird der Volumenstrom V1 unterbrochen. Zweckmäßigerweise wird das Druckhalteventil 4 geschlossen. Die erste Zeitspanne 1 entspricht bevorzugt der Zeitdauer, bis der Reformierungsreaktor 1 mit dem ersten Volumenstrom V1 gefüllt ist. Falls flüssiges Brennmittel zugeführt wird, ist die Zeitspanne vorzugsweise etwas kürzer, um einer Volumenzunahme des Mediums im Reformierungsreaktor 1 bei Erwärmung Rechnung zu tragen.
Dem Brennmittel aus dem ersten Volumenstrom V1 wird dann im Reformierungsreaktor 1 ein erster Luftvolumenstrom V4 zugeführt. Vorzugsweise wird der Luftvolumenstrom V4 stromab des Reformierungsreaktors 1 zugeführt. Dabei wird, durch das Abschalten des Brennmittelstroms, die Strömungsrichtung durch den Reformierungsreaktor 1 umgedreht. Der im Reformierungsreaktor 1 enthaltene Brennstoff wird katalytisch verbrannt, wobei der Reformierungsreaktor 1 erwärmt wird und entgegen der regulären Strömungsrichtung aus dem Reformierungsreaktor 1 abgeführt.
Das Brennmittel kann dem Reformierungsreaktor 1 im einfachsten Fall flüssig zugeführt werden. Dann ist die Umsetzung zu Brennstoff zwar zuerst einmal wenig effektiv, aber die katalytische Verbrennung ist stark exotherm und kann den Reformierungsreaktor 1 schnell erwärmen. Es kann jedoch auch ein dampfförmiges Brennmittel zugeführt werden und/oder auch direkt Brennstoff aus einem eigenen Brennstoffspeicher oder einem Reformatspeicher, welche vorzugsweise im vorausgegangenen Betrieb für die nächste Kaltstartphase gefüllt wurden. Da der Brennmittelstrom zu Beginn nach kurzer Zeit unterbrochen wird und der Reformierungsreaktor 1 dann entgegen der regulären Strömungsrichtung durchströmt wird, stören Flüssigkeitsbeimengungen zu Beginn nur wenig.
Die Abwärme, die in der ersten Phase erzeugt wird, kann z.B. zur Erwärmung eines Verdampfers für das Brennmittel genutzt werden. Zweckmäßigerweise wird die erste Phase ein- oder mehrfach durchlaufen, bis der Reformierungsreaktor 1 zumindest annähernd seine Betriebstemperatur erreicht hat. Zweckmäßigerweise wird dazu ein Temperatursensor vorgesehen, der das Erreichen der Betriebstemperatur anzeigt.
Anschließend an die erste Phase wird eine zweite Phase entsprechend 3 in der Startphase des Systems durchlaufen. Dabei werden dem Reformierungsreaktor 1 in Strömungsrichtung folgende, nicht auf Betriebstemperatur befindliche Komponenten 2, 3 zur Reformatreinigung mit Reformat gefüllt und zeitweise mit Sauerstoff beaufschlagt, wobei das Reformat in den Komponenten 2, 3 katalytisch verbrannt wird.
In der zweiten Phase wird dem Reformierungsreaktor 1 neues Brennmittel über den Volumenstrom V1 zugeführt und der Reformierungsreaktor 1 wieder in regulärer Strömungsrichtung durchströmt, wozu das Druckhalteventil 4 geöffnet wird. Dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn der dem Reformierungsreaktor 1 zugeordnete Temperatursensor das Erreichen einer erhöhten Reaktortemperatur, vorzugsweise der Betriebstemperatur anzeigt. Besonders bevorzugt erfolgt sowohl das Öffnen des Druckhalteventils 4 als auch das Zuschalten des ersten Volumenstroms V1 in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatursensors.
Das im betriebswarmen Reformierungsreaktor 1 erzeugte Brennmittel wird über den Volumenstrom V2 in eine erste Reinigungskomponente 2, vorzugsweise einer Shiftstufe, zugeführt. Dabei wird der erste Luftvolumenstrom V4 aufrechterhalten und gelangt so mit dem Brennstoff und gegebenenfalls noch mit aus dem ersten Volumenstrom V1 stammender Luft in die erste Reinigungskomponente 2. Das Reformat wird in der ersten Reinigungskomponente 2 katalytisch verbrannt und bringt so diese erste Komponente 2 auf ihre Betriebstemperatur. Hierzu ist zweckmäßigerweise ein Temperatursensor vorgesehen, der das Erreichen der Betriebstemperatur anzeigt.
In 4 ist der nächste Schritt der zweiten Phase dargestellt. In einem zweistufigen Reinigungssystem folgt eine zweite Komponente 3 zur Reformatreinigung auf die erste Reinigungskomponente 2. Der erste Volumenstrom V4 wird abgeschaltet und ein zweiter Volumenstrom V5 stromab der ersten Komponente 2 und stromauf der zweiten Komponente 3 zugeschaltet. Mit diesem zweiten Volumenstrom gelangt Luft mit dem zweiten Reformatstrom V3, der das in der ersten Komponente 2 gereinigte Reformat enthält, in die zweite Komponente 3. Der Brennstoff aus dem zweiten Reformatstrom V3 wird in der zweiten Reinigungsstufe 3 katalytisch verbrannt und auch die zweite Komponente 3 erreicht ihre Betriebstemperatur. Ausgangs der Reinigungsstufen 2, 3 liegt nunmehr ein gereinigter Reformatstrom vor und kann über die anodenseitige Zuführung 5 zur Brennstoffzelleneinheit gelangen. Sind alle Komponenten des Gaserzeugungssystems 10 auf Betriebstemperatur, so wird auch der zweite Luftvolumenstrom V5 abgestellt, und das Gaserzeugungssystem 10 ist betriebsbereit und der Betrieb des Systems gemäß 1 kann aufgenommen werden.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Sauerstoffzugabe V4, V5 stromauf der Komponenten 2, 3 zur Reformatreinigung. Bei einem mehrstufigen Reinigungssystem mit einer Hintereinanderschaltung von mehreren Komponenten 2, 3 zur Reformatreinigung kann jede einzeln für sich in Strömungsrichtung aufgeheizt werden, indem erst der stromauf ersten Komponente Sauerstoff zugegeben wird, dann der nächstfolgenden, dann der darauffolgenden etc., es kann aber auch jeder Komponente gleichzeitig Sauerstoff zugegeben werden. Günstig ist, wenn die zweite Phase wiederholt wird, bis die in regulärer Strömungsrichtung folgenden Komponenten 2, 3 zumindest annähernd auf Betriebstemperatur aufgeheizt sind. Dabei ist es günstig, das Beenden der zweiten Phase anhand des Signals eines oder mehrerer Temperatursensoren einzuleiten, welcher. oder welche den Komponenten 2, 3 zugeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann auch nur der Reformierungsreaktor 1 in der beschriebenen Weise gestartet werden.
Insgesamt stellt die Exothermie einer Verbrennung eine vorteilhafte und sehr schnelle Möglichkeit zur Erwärmung der betreffenden Bauteile dar. Der Brennstoff wird durch den Prozeß im wesentlichen selbst hergestellt. Im heißen Teil des Gaserzeugungssystems befinden sich keine Ventile, so daß keine Probleme mit der Temperaturfestigkeit derartiger Komponenten zu beachten sind. So befindet sich das Druckhalteventil 4 in einem Brennstoffzellensystem stromab des Gaserzeugungssystems 10 vor der Brennstoffzelleneinheit oder erst stromab der Brennstoffzelleneinheit.
Durch die zeitweise Strömungsumkehr in der Startphase im Reformierungsreaktor 1 kann eine Dosierstelle für Sauerstoff vorteilhaft eingespart werden, da der erste Luftvolumenstrom V4 sowohl den Reformierungsreaktor 1 als auch die erste Komponente 2 zeitlich aufeinanderfolgend mit Sauerstoff versorgt.
Die Startzeiten des Gaserzeugungssystems 10 werden vorteilhaft verkürzt, und auf eine externe Energieeinkopplung in der Startphase kann weitgehend verzichtet werden. Damit kann das Brennstoffzellensystem kompakt und relativ einfach aufgebaut werden, da besondere zusätzliche Startkomponenten nicht unbedingt notwendig sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei ein Brennstoff über eine anodenseitige Zuleitung einem Anodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Anodenabgas über eine anodenseitige Ableitung abgeleitet wird, sowie ein Oxidationsmittel über eine kathodenseitige Zuleitung einem Kathodenraum der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und Kathodenabgas über eine kathodenseitige Ableitung abgeführt wird, sowie mit einem Gaserzeugungssystem (10), wobei ein Brennstoff enthaltendes Reformat in einem Reformierungsreaktor (1) des Gaserzeugungssystems (10) durch Reformierung eines Brennmittels erzeugt und in in Strömungsrichtung auf den Reformierungsreaktor folgenden Komponenten (2, 3) gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Systems in einer ersten Phase dem Reformierungsreaktor (1) Brennmittel zugeführt wird, aus dem Brennmittel Brennstoff erzeugt wird, der zumindest teilweise mit Brennstoff gefüllte Reformierungsreaktor (1) zeitweise mit Sauerstoff beaufschlagt und der Brennstoff katalytisch im Reformierungsreaktor (1) verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennmittel in der ersten Phase dem Reformierungsreaktor (1) flüssig zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reformierungsreaktor (1) ein erster Volumenstrom (V1) des Brennmittels für eine erste Zeitspanne (t1) zur Brennstofferzeugung zugeführt und nach Ablauf der ersten Zeitspanne (t1) der Volumenstrom (V1) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitspanne (t1) der Zeit entspricht, bis der Reformierungsreaktor (1) mit dem ersten Volumenstrom (V1) des Brennmittels gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Volumenstrom (V1) von Brennmittel im Reformierungsreaktor (1) ein erster Luftvolumenstrom (V4) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytisch verbrannte Brennstoff aus dem ersten Volumenstrom (V1) entgegen der regulären Strömungsrichtung aus dem Reformierungsreaktor (1) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase ein- oder mehrfach durchlaufen wird, bis der Reformierungsreaktor (1) zumindest annähernd seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die erste Phase eine zweite Phase in der Startphase des Systems durchlaufen wird, wobei dem Reformierungsreaktor (1) in regulärer Strömungsrichtung folgende Komponenten (2, 3) zur Reformatreinigung mit Reformat gefüllt und zeitweise mit Sauerstoff beaufschlagt werden, wobei das Reformat in den Komponenten (2, 3) katalytisch verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Hintereinanderschaltung von mehreren Komponenten (2, 3) zur Reformatreinigung in Strömungsrichtung jede Komponente (2, 3) einzeln aufeinander folgend aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffzugabe (V4, V5) stromauf der Komponenten (2, 3) zur Reformatreinigung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Betriebstemperatur von Reformierungsreaktor (1) und/oder Komponenten (2, 3) zur Reformatreinigung die Sauerstoffzufuhr (V4, V5) abgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase wiederholt wird, bis die in regulärer Strömungsrichtung folgenden Komponenten (2, 3) zumindest annähernd auf Betriebstemperatur aufgeheizt sind.